基于“金課”的《工程制圖與CAD》 “三維—二維”融合式教學(xué)模式改革探究

孫 朗

(中南民族大學(xué) 化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430074)

一、問題提出

在《中國制造2025》的目標(biāo)之下，國家對全面提升中國制造業(yè)發(fā)展質(zhì)量和水平方面做出了諸多重大戰(zhàn)略部署。[1]在這一背景下，作為工程界的語言，《工程制圖與CAD》這門課程的重要性日益凸顯。與其他課程不同，作為一門本科生對工程技術(shù)知識的入門課程，同時也作為一門具有較強(qiáng)實(shí)踐性質(zhì)的課程，教師不僅要傳授工程制圖的基礎(chǔ)理論知識、繪圖原則及相關(guān)規(guī)定，也要從實(shí)踐角度對學(xué)生在工程圖樣的繪制方法方面提出更高的要求，并以此為學(xué)生將來的工作奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。另外，這門課程不僅利于全方位地訓(xùn)練學(xué)生讀圖與繪圖的基本技能，更能對學(xué)生的空間思維能力進(jìn)行鍛煉，從而也為學(xué)生其他相關(guān)學(xué)科的學(xué)習(xí)奠定了一定的基礎(chǔ)。因此，《工程制圖與CAD》課程一直是我國高等學(xué)校理工學(xué)科各個專業(yè)極其重要的一門學(xué)科基礎(chǔ)必修課程。

目前，伴隨著CAD技術(shù)的日新月異，《工程制圖與CAD》課程中所關(guān)注的重點(diǎn)也不斷更新，從之前對于幾何作圖以及工程圖樣的繪制到當(dāng)下對CAD繪圖能力培養(yǎng)的注重，該課程緊跟科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步不斷發(fā)展。當(dāng)下，隨著三維技術(shù)的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)模式已經(jīng)可以完全脫離二維表達(dá)而直接借助三維模型，三維CAD軟件不僅減少了設(shè)計(jì)工作的復(fù)雜程度，更重要的是為人們提供了一個輔助思維設(shè)計(jì)的空間。借助三維CAD技術(shù)，可以把復(fù)雜制品的全部信息完整而直觀地可視化，并在其中通過虛擬仿真技術(shù)對零件表面過渡、空間幾何布局以及零件直接的干涉等在二維中很難具體設(shè)計(jì)和思考的部分進(jìn)行精準(zhǔn)考察。結(jié)合CAM技術(shù)，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造過程發(fā)生了巨大變革，這為工程制圖課程指明了新的發(fā)展方向。[2]

筆者近十年來一直在從事非機(jī)械專業(yè)的工程制圖課程的教學(xué)，在教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，借助當(dāng)前的CAD軟件三維建模可以有效地幫助學(xué)生厘清復(fù)雜的投影問題，并可以結(jié)合三維建模更好地增強(qiáng)學(xué)生的讀圖能力。筆者認(rèn)為，在二維繪圖的基礎(chǔ)上，通過增加三維建模的鍛煉，不僅可以更好地幫助學(xué)生融會貫通所學(xué)的知識，更可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增加學(xué)習(xí)動力。因此，筆者在三維CAD 視閾下，對非機(jī)械專業(yè)《工程制圖與CAD》課程開展三維CAD技術(shù)與工程制圖課程“三維—二維”融合式教學(xué)，并基于結(jié)合“金課”“兩性一度”的標(biāo)準(zhǔn)，對《工程制圖與CAD》“金課”的打造進(jìn)行了相關(guān)探索。

二、《工程制圖與CAD》課程傳統(tǒng)教學(xué)模式檢視

當(dāng)下隨著國家對本科教育的不斷重視，“淘汰水課，打造金課”已經(jīng)成為高校各個層面的共識。《工程制圖與CAD》課程本身由于其廣泛的應(yīng)用范圍與日常生活緊密的聯(lián)系以及在課程學(xué)習(xí)過程中對學(xué)生空間思維能力的鍛煉，完全可以根據(jù)“兩性一度”將其打造成為“金課”。為了去“水”存“金”，我們首先需要對當(dāng)前教學(xué)過程中存在的問題進(jìn)行討論與檢視。

1．課程體系：理論與實(shí)踐的割裂

隨著三維技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前《工程制圖與CAD》課程體系顯然已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在的技術(shù)發(fā)展。目前《工程制圖與CAD》課程體系一般分為兩個部分，即繪圖的基礎(chǔ)知識以及基礎(chǔ)的上機(jī)訓(xùn)練，如圖1所示。很明顯，當(dāng)前的課程體系將整個課程割裂成理論與實(shí)踐兩大塊，這并不能有效地實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)訓(xùn)練之間的融合式互動。就筆者對實(shí)際上課情況的觀察了解發(fā)現(xiàn)，由于上機(jī)實(shí)訓(xùn)模塊與理論基礎(chǔ)模塊的割裂，很多同學(xué)在上機(jī)實(shí)訓(xùn)過程中往往不知道如何去應(yīng)用課上所學(xué)內(nèi)容，或在繪制過程中僅僅認(rèn)為其只是對之前課堂知識的復(fù)習(xí)，因此，基礎(chǔ)知識與上機(jī)訓(xùn)練并沒有形成良性的互動，教學(xué)效果并不讓人滿意。在當(dāng)前教學(xué)體系中，雖然三視圖以及零件圖的繪制是對基礎(chǔ)知識的應(yīng)用，但實(shí)際上也并沒有能夠?qū)烧哌M(jìn)行充分的串聯(lián)。因此，我們需要探索如何建立一種能夠使基礎(chǔ)知識與上機(jī)實(shí)踐有機(jī)結(jié)合的課程體系。

圖1《工程制圖與CAD》課程傳統(tǒng)教學(xué)體系

2．教學(xué)方法：先進(jìn)性和互動性不足

從教學(xué)方法上來說，本門課程主要通過基礎(chǔ)概念和原理的學(xué)習(xí)，在理解和掌握這些概念和原理的基礎(chǔ)上，掌握繪圖和讀圖能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生空間想象力，這正是后續(xù)理論和方法學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，而當(dāng)前僅僅通過課堂PPT授課并不利于培養(yǎng)目標(biāo)的達(dá)成。“金課”要求“教學(xué)形式呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動性”，以達(dá)到“創(chuàng)新性”的目標(biāo)，因此，為了將《工程制圖與CAD》打造成為“金課”，我們不僅需要構(gòu)建新的教學(xué)體系，同時，也需要在教學(xué)方法上進(jìn)行改進(jìn)。我們認(rèn)為，這需要結(jié)合當(dāng)前技術(shù)進(jìn)步，對課堂教學(xué)進(jìn)行突破，改進(jìn)“滿堂灌”的教學(xué)形式，有效地運(yùn)用當(dāng)前三維建模技術(shù)發(fā)展以及新的教學(xué)手段，提高學(xué)生在教學(xué)活動中的參與度，從而構(gòu)建良好的教學(xué)情境。

3．考核方式：過于片面單一

從考核方式上來講，“金課”對課程的培養(yǎng)目標(biāo)和教學(xué)效果提出了更為明確和更高的要求，我們也需要相應(yīng)地通過合理的評價(jià)體系對學(xué)生的學(xué)習(xí)成果和老師的教學(xué)效果進(jìn)行評價(jià)。當(dāng)前，本門課程的考核方式主要是采用閉卷考試的方法，這種過于單一的考核方式，并不能全面地、真實(shí)地對學(xué)生的實(shí)際學(xué)習(xí)成果進(jìn)行客觀而科學(xué)的考核，更無法反映學(xué)生靈活運(yùn)用相關(guān)知識和理論的能力，難以對學(xué)生解決復(fù)雜問題的綜合能力和高階思維能力進(jìn)行評價(jià)。

總體而言，我們在課程實(shí)踐過程中發(fā)現(xiàn)，目前在高校非機(jī)械專業(yè)的《工程制圖與CAD》教學(xué)活動與 “金課”“兩性一度”的標(biāo)準(zhǔn)仍差距較大，這導(dǎo)致了部分學(xué)生對于該課程興趣不大、學(xué)習(xí)主動性較低的情況，因此在“去水存金”方面，該課程仍期待更多的改進(jìn)。

三、《工程制圖與CAD》課程“三維—二維”融合式教學(xué)改革路徑探索

自從2018年教育部高等教育司吳巖司長深入闡述了中國“金課”的建設(shè)要求和目標(biāo)，教育部以及各高校都在積極推動國家級“金課”以及地方級“金課”的建設(shè)。課堂教學(xué)是整個教學(xué)體系的根本所在，因此，我們需要基于“兩性一度”的“金課”標(biāo)準(zhǔn)，從教學(xué)體系、教學(xué)方法以及考核方式三個方面對《工程制圖與CAD》課程教學(xué)進(jìn)行改進(jìn)。具體而言，通過建立“三維—二維”融合式的教學(xué)體系，并結(jié)合新的教學(xué)體系，改進(jìn)教學(xué)方法并改良考核方式，從而“去水存金”，這不僅有利于更好地完成知識的傳播過程，更能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及學(xué)習(xí)主動性，并鍛煉學(xué)生解決問題的能力。

1. 構(gòu)建“三維—二維”融合式的教學(xué)體系

當(dāng)前關(guān)于三維CAD技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用已經(jīng)有了大量的研究成果，并詳細(xì)地討論了其在工程制圖課程中的應(yīng)用。[3,4]我們認(rèn)為，把三維技術(shù)融入《工程制圖與CAD》教學(xué)之中，不僅是需要在課堂講解時借助三維技術(shù)進(jìn)行演示，為了更好地發(fā)揮三維CAD技術(shù)在教學(xué)中的重要性，還需要對整個課程體系進(jìn)行改進(jìn)。由于《工程制圖與CAD》課程分為理論和上機(jī)兩個部分，而且理論部分的內(nèi)容較多且過于零散，因此學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，無法準(zhǔn)確地把握整個課程的知識體系，更無法靈活地應(yīng)用課上所學(xué)的知識。因此，必須將整個《工程制圖與CAD》課程的知識點(diǎn)融為一個有機(jī)的整體，此時我們需要選擇一個能夠?qū)⒄麄€工程制圖與CAD課程進(jìn)行連接的交點(diǎn)，這就是三維建模。

三維技術(shù)在當(dāng)今社會有著廣泛應(yīng)用，尤其是基于三維技術(shù)的CAD設(shè)計(jì)對相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著巨大的推進(jìn)作用。結(jié)合國家產(chǎn)業(yè)升級的目標(biāo)，我們也需要對《工程制圖與CAD》的課程體系進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而讓學(xué)生能夠掌握前沿技術(shù)?！皠?chuàng)新性”是當(dāng)前“金課”的重要標(biāo)志之一，這要求教師能夠?qū)?dāng)前科技發(fā)展的前沿技術(shù)融入我們的課堂教學(xué)。具體來講，為了達(dá)成課程的培養(yǎng)目標(biāo)，即繪圖及讀圖能力的鍛煉，結(jié)合當(dāng)前技術(shù)進(jìn)步和發(fā)展趨勢，三維繪圖技術(shù)在課程中的重要性將不斷凸顯。在當(dāng)下《工程制圖與CAD》的課程體系當(dāng)中，因受到相關(guān)技術(shù)的限制，三維繪圖并沒有被明確作為學(xué)習(xí)內(nèi)容的重要組成部分。因此，在新的課程體系設(shè)計(jì)中，我們希望通過明確三維CAD技術(shù)的地位，凸顯三維建模技術(shù)在現(xiàn)今工程制圖領(lǐng)域中的巨大作用，并提高學(xué)生對三維CAD技術(shù)的掌握程度。需要注意的是，這并不意味著將三維建模與工程制圖課程相互割裂，我們既要強(qiáng)調(diào)二維視圖在表達(dá)零件尺寸大小和技術(shù)要求方面的優(yōu)勢，也不能忽視三維建模作為零件在零件表達(dá)及仿真方面的重要作用。并且通過二者的結(jié)合，還可以促進(jìn)教學(xué)過程，如借助三維形體的建模過程，幫助學(xué)生更為直觀而深刻地理解投影知識，并以此極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。因此，我們建立了如下新的“三維—二維”融合式教學(xué)體系，如圖2所示。

圖2三維視域下以“三維形體為核心，以四大模塊為基石”的新的課程體系

根據(jù)《工程制圖與CAD》課程的特點(diǎn)，建立以三維建模為核心，以繪圖基礎(chǔ)、專業(yè)圖、三維建模和三維專業(yè)建模為支柱的模塊化的教學(xué)體系，從而明確知識結(jié)構(gòu)，提升教學(xué)效果。從圖2可以看到，該課程分為兩大部分，即基礎(chǔ)理論和基礎(chǔ)訓(xùn)練，這兩部分又分別包括以下四個模塊：繪圖基礎(chǔ)模塊、專業(yè)圖模塊、三維建模模塊和三維專業(yè)建模模塊四大部分。繪圖基礎(chǔ)模塊主要包括制圖的基本知識、點(diǎn)線面投影、截交線、組合體三視圖等；專業(yè)圖模塊主要包括機(jī)械圖樣的表示方法、零件圖的繪制要求和讀識零件圖的方法等；三維建模模塊在對三視圖以及零件圖的讀圖基礎(chǔ)上進(jìn)行三維建模，從而培養(yǎng)學(xué)生的綜合讀圖、繪圖、三維建模能力以及空間想象能力；三維專業(yè)建模模塊可以根據(jù)不同專業(yè)設(shè)定不同的繪圖重點(diǎn)，如對于化工專業(yè)可以注重管道的繪制，高分子專業(yè)可以偏重模具零件的繪制等等。由此可見，新的教學(xué)體系中的四個模塊并非是相互獨(dú)立的，而是相互交叉，互相促進(jìn)，共同服務(wù)于課程的教學(xué)目標(biāo)。需要指出的，三維建模在這里既是我們課程的目標(biāo)之一，又是將整個課程內(nèi)容串聯(lián)的紐帶，需要行之有效的教學(xué)方法進(jìn)行配合，從而使其發(fā)揮應(yīng)有的作用。

2.創(chuàng)新“主動建構(gòu)式”的教學(xué)方法

對于教學(xué)方法的改進(jìn)可以借助建構(gòu)主義教學(xué)理論來實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立處理問題的能力，能夠綜合應(yīng)用三維建模與制圖技術(shù)，處理較為復(fù)雜的問題，即金課的“高階性”要求。建構(gòu)主義認(rèn)為，教學(xué)過程中，不僅需要獲得知識，更要注重創(chuàng)造性地運(yùn)用相關(guān)知識，因此，在教學(xué)過程中需要充分發(fā)揮學(xué)生的主體性和自主性，更多從學(xué)生的角度出發(fā)開展課堂教學(xué)。[5]那么回歸到我們所關(guān)注的《工程制圖與CAD》課程的教學(xué)，也需要根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)需求，在課堂教學(xué)過程中充分發(fā)揮三維模型的直觀、動態(tài)的特點(diǎn)，借著模型展示，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鞏固基礎(chǔ)知識的掌握，培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力和讀圖能力。為了鍛煉學(xué)生處理實(shí)際問題的能力，還可以采用任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法，即在課程學(xué)習(xí)過程中, 通過教師的指導(dǎo), 讓學(xué)生以三維模型建立為中心, 在自身對問題的好奇心的驅(qū)動下, 主動地借用學(xué)習(xí)資源，自主研究探索，從而完成各項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)。具體而言，一方面可以將不同難度的三維模型給學(xué)生，讓學(xué)生借著三維模型完成相應(yīng)模型的三視圖的繪制；另一方面，也可以將三視圖發(fā)給學(xué)生，讓其完成三維模型的建立，從而加深其對投影知識的理解并鍛煉三視圖的繪圖能力，進(jìn)而培養(yǎng)學(xué)生靈活運(yùn)用課上所學(xué)知識的能力、繪圖和讀圖的能力以及獨(dú)立工作能力，并以此調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，使其愿意主動地加強(qiáng)課后的自主學(xué)習(xí)，并鍛煉他們解決問題尤其是復(fù)雜問題的能力。

其次，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論還認(rèn)為，“協(xié)作學(xué)習(xí)”對知識意義的建構(gòu)發(fā)揮著關(guān)鍵性的作用，它強(qiáng)調(diào)師生之間、學(xué)生之間的協(xié)作交流以及學(xué)生和教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)媒體之間的相互作用。教師在教學(xué)過程中除了要樹立以學(xué)生為教學(xué)主體、以教師為主導(dǎo)的科學(xué)教育理念，實(shí)現(xiàn)從“被動傳輸式”的教學(xué)模式向“主動建構(gòu)式”教學(xué)模式的轉(zhuǎn)變。更為重要的是，要基于三維模型建立合適的多媒體課件，尤其是將三維模型與課程知識點(diǎn)相結(jié)合，如在投影的講解過程中，可以改變不同的視角，使學(xué)生對平行投影法建立較為直觀的認(rèn)識，從而將三維建模的原理、方法、技能和工程制圖的知識形成有機(jī)結(jié)合，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。另外，教師還可以通過對學(xué)生分組，布置較為復(fù)雜的建模作業(yè)，各組根據(jù)零件圖協(xié)作完成建模，從而鍛煉學(xué)生的團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，并最終達(dá)成“具有探究性和個性化”的學(xué)習(xí)效果。

最后，建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)對學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)，認(rèn)為在學(xué)習(xí)過程中，教師要為學(xué)習(xí)者提供各種資源(包括各種類型的教學(xué)媒體和教學(xué)資料)，鼓勵學(xué)習(xí)者的主動探索并完成意義的建構(gòu)，從而達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，它在當(dāng)前的課程教學(xué)中的應(yīng)用范圍越來越廣。借著基于移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立的智慧課堂，教師可以與學(xué)生實(shí)時溝通，并對學(xué)生的問題給予及時的反饋，從而擺脫課堂45分鐘的桎梏，更為便捷地對學(xué)生進(jìn)行指導(dǎo)。尤其是當(dāng)下，課程學(xué)時普遍壓縮，教師不僅需要對課堂45分鐘的教學(xué)進(jìn)行更為精確巧妙的設(shè)計(jì)，更要對學(xué)生課前及課后的自主學(xué)習(xí)給予引導(dǎo)，如對于CAD基礎(chǔ)命令、標(biāo)準(zhǔn)零件的繪制以及三維建模等方面的學(xué)習(xí)，不僅需要大量的時間演示，還需要學(xué)生課后花費(fèi)大量時間進(jìn)行練習(xí)。這些內(nèi)容很難在面對面45分鐘的課堂教學(xué)過程中實(shí)現(xiàn)。因此，可以將相關(guān)視頻和文檔借助智慧課堂直接發(fā)布給每位學(xué)生，并可以同時通過布置相關(guān)作業(yè)和對學(xué)生作業(yè)完成情況的檢查，掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況。如在介紹和演示三維建模命令的使用方法時，可以首先將如拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、園角、倒角、陣列等命令的講解視頻發(fā)給學(xué)生，在課堂上將演示內(nèi)容與課堂所講投影原理相結(jié)合，加深學(xué)生對投影原理的理解，課后還可以借助作業(yè)以及測驗(yàn)等手段對學(xué)生掌握程度進(jìn)行考核，并通過網(wǎng)上交流進(jìn)一步幫助學(xué)生鞏固相關(guān)知識，從而使得整個“教學(xué)形式呈現(xiàn)先進(jìn)性和互動性”。

3．推行具有“學(xué)業(yè)挑戰(zhàn)度”的考核方式

在經(jīng)典測量理論中，雖然測量誤差估計(jì)的不精確性和籠統(tǒng)性無法精確地反映學(xué)生對課程的掌握程度，但對于高等院校的專業(yè)課程而言，這仍是一種對學(xué)生學(xué)習(xí)情況有效的考核方式。根據(jù)吳巖司長在第十一屆“中國大學(xué)教學(xué)論壇”上提出“金課”需要“挑戰(zhàn)度”的觀點(diǎn)，筆者認(rèn)為，雖然考試在當(dāng)前高校的專業(yè)教學(xué)中仍占據(jù)著不可替代的角色，但對學(xué)生更應(yīng)該采用多樣化和過程化的考核方式。通過具有一定難度的考核方式，不僅對學(xué)生的知識的掌握程度進(jìn)行度量，并通過考核以促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。具體而言，在考核過程中可摒棄閉卷筆試的考核方式，采用平時成績及過程性評價(jià)占 50 %，期末上機(jī)考試評價(jià)占50 %的考試體系。在過程考核中，一方面，可根據(jù)課程進(jìn)度，借助云課堂、雨課堂等網(wǎng)絡(luò)教學(xué)手段，以作業(yè)和隨堂考察的形式考核學(xué)生對知識點(diǎn)的掌握情況；另一方面，還可以讓學(xué)生根據(jù)三維模型繪制其相應(yīng)的三視圖，從而加深學(xué)生對投影相關(guān)知識的理解，并鍛煉其繪圖能力；此外，可以通過三視圖讓學(xué)生完成三維建模，鍛煉學(xué)生的讀圖能力和三維建模能力。為了培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立創(chuàng)新的能力，根據(jù)學(xué)生的專業(yè)特點(diǎn)，分組大作業(yè)的形式完成與專業(yè)相關(guān)的比較復(fù)雜的三維建模，考察學(xué)生團(tuán)隊(duì)協(xié)作以及處理復(fù)雜問題的能力。

四、結(jié)語

當(dāng)前三維建模在工程技術(shù)中應(yīng)用愈發(fā)廣泛，為了培養(yǎng)能夠熟練運(yùn)用三維建模的非機(jī)械專業(yè)畢業(yè)生，我們根據(jù)“金課”標(biāo)準(zhǔn)對《工程制圖與CAD》課程的教學(xué)體系、教學(xué)方法以及考核方式的改革進(jìn)行了探索?；谀K化教學(xué)理論，我們建立了以三維建模為紐帶，各個知識模塊有機(jī)結(jié)合的三維視域下《工程制圖與CAD》課程的教學(xué)體系。同時，基于建構(gòu)主義理論和任務(wù)驅(qū)動的教學(xué)方法，我們凸顯學(xué)生在教學(xué)過程中的中心角色，建立一個由課堂教學(xué)、課外學(xué)習(xí)和實(shí)踐三大課堂構(gòu)成的知識掌握與能力素質(zhì)培養(yǎng)相結(jié)合的“三維—二維”融合式《工程制圖與CAD》課堂，這不僅能夠幫助學(xué)生加深對相關(guān)知識的理解，培養(yǎng)其實(shí)踐能力，為其未來的工作奠定扎實(shí)的基礎(chǔ)，更是為《工程制圖與CAD》“金課”的打造做出的新探索。